Podpredsednik IBM Quantum Jay Gambetta se pogovarja s Philipom Ballom o številnih kvantnih napredkih podjetja v zadnjih 20 letih, pa tudi o nedavno objavljenem petletnem načrtu za "kvantno prednost"
Podjetja in raziskovalni laboratoriji po vsem svetu si prizadevajo, da bi svoje nastajajoče kvantne tehnologije prenesli iz laboratorijev v resnični svet, pri čemer je ameriški tehnološki velikan IBM ključni igralec. Maja letos, IBM Quantum je predstavil svoj najnovejši načrt za prihodnost kvantnega računalništva v prihodnjem desetletju, podjetje pa si je zastavilo nekaj ambicioznih ciljev. Ob napovedi svojega Procesor Eagle s 127 kvantnimi biti (qubiti) lani, podjetje je zdaj razvija 433-kubitni procesor Osprey za prvenec pozneje letos, ki mu bo leta 2023 sledil 1121-qubit Condor.
Toda poleg tega, pravi podjetje, bo igra prešla na sestavljanje takih procesorjev v modularna vezja, v katerih so čipi povezani skupaj prek redkejših kvantnih ali klasičnih medsebojnih povezav. To prizadevanje bo doseglo vrhunec v tem, kar imenujejo njihova 4158-qubitna naprava Kookaburra leta 2025. Po tem IBM napoveduje modularno procesorji s 100,000 ali več kubiti, ki so sposobni računati brez napak, zaradi katerih je kvantno računalništvo trenutno stvar iskanja rešitev za hrupnost kubitov. S tem pristopom je ekipa podjetja za kvantno računalništvo prepričana, da lahko doseže splošno "kvantno prednost", kjer bodo kvantni računalniki dosledno prekašali klasične računalnike in izvajali zapletene izračune, ki presegajo sredstva klasičnih naprav.
Medtem ko je bil v Londonu na poti v 28th Konferenca Solvay v Bruslju, ki se je lotil kvantnih informacij, Svet fizike ujel s fizikom Jay Gambetta, podpredsednik IBM Quantum. Ker je v zadnjih dveh desetletjih vodil velik del napredka podjetja, je Gambetta pojasnil, kako bi lahko te cilje dosegli in kaj bodo pomenili za prihodnost kvantnega računalništva.
Kakšno je trenutno stanje tehnike v podjetju IBM Quantum? Kateri so nekateri ključni parametri, na katere se osredotočate?
Načrt IBM-a se nanaša na povečevanje – ne le števila kubitov, temveč tudi njihovo hitrost, kakovost in arhitekturo vezja. Zdaj imamo koherenčne čase [trajanje, v katerem kubiti ostanejo koherentni in sposobni izvajati kvantno računanje] 300 mikrosekund v procesorju Eagle [v primerjavi s približno 1 μs leta 2010], naslednja generacija naprav pa bo dosegla 300 milisekund. In naši kubiti [narejeni iz superprevodnih kovin] imajo zdaj skoraj 99.9-odstotno zanesljivost [pojavijo samo eno napako na vsakih 1000 operacij – stopnja napake 10-3]. Mislim, da 99.99 % ne bi bilo nemogoče do konca naslednjega leta.
Končni lakmusov test za zrelost kvantnih računalnikov je torej, ali je lahko kvantno izvajalno okolje konkurenčno klasičnemu izvajalnemu okolju.
Toda pametno početje bo postalo pomembnejše od zgolj pritiskanja na neobdelane meritve. Arhitektura procesorja postaja vse bolj pomembna. Mislim, da ne bomo presegli 1000 kubitov na čip [kot pri Condorju], zato zdaj gledamo na modularnost. Tako lahko do konca tega desetletja pridemo do procesorjev z 10,000 kubiti. Uporabili bomo klasično komunikacijo (za nadzor elektronike) med čipi in kvantne kanale, ki ustvarjajo nekaj prepletanja (za izvajanje računanja). Ti kanali med čipi bodo počasni – morda 100-krat počasnejši od samih vezij. Zvestobo kanalov bo težko dvigniti nad 95 %.
Za visoko zmogljivo računalništvo je resnično pomembno minimiziranje časa izvajanja – to je minimiziranje časa, ki je potreben za ustvarjanje rešitve za problem, ki vas zanima. Končni lakmusov test za zrelost kvantnih računalnikov je, ali je lahko kvantni čas izvajanja konkurenčen klasičnemu izvajalnemu okolju. Teoretično smo začeli prikazovati, da če imate velik tokokrog, ki ga želite zagnati, in ga razdelite na manjše tokokroge, si lahko vsakič, ko naredite rez, predstavljate klasičen strošek, ki podaljša čas delovanja. eksponentno. Torej je cilj ohraniti to eksponentno rast čim bližje 1.
Za dano vezje je čas delovanja eksponentno odvisen od a parameter imenujemo γ̄ dvignjen na moč nd, Kjer n je število kubitov in d je globina [mera najdaljše poti med vhodom in izhodom vezja ali enakovredno število časovnih korakov, potrebnih za delovanje vezja]. Torej, če lahko dobimo b γ̄ čim bližje 1, pridemo do točke, kjer obstaja resnična kvantna prednost: brez eksponentne rasti med izvajanjem. γ̄ lahko zmanjšamo z izboljšavami koherence in zvestobe vrat [notranja stopnja napak]. Sčasoma bomo dosegli prelomno točko, ko bomo lahko tudi z eksponentnimi režijskimi stroški zmanjševanja napak izkoristili prednosti izvajalnega časa v primerjavi s klasičnimi računalniki. Če lahko znižate γ̄ na 1.001, je čas izvajanja hitrejši, kot če bi ta vezja simulirali klasično. Prepričan sem, da lahko to storimo – z izboljšavami v zvestobi vrat in zatrtim preslušavanjem med kubiti smo že izmerili γ̄ 1.008 na čipu Falcon r10 [27-kubitni].
Kako lahko naredite te izboljšave za ublažitev napak?
Za izboljšanje zvestobe smo ubrali pristop, imenovan verjetnostna odprava napak [arXiv:2201.09866]. Ideja je, da mi pošljete delovne obremenitve, jaz pa vam bom poslal obdelane rezultate z njihovimi ocenami brez šumov. Pravite, da želim, da vodite to vezje; Opisujem ves hrup, ki ga imam v svojem sistemu, in naredim veliko zagonov ter nato obdelam vse te rezultate skupaj, da vam dam oceno izhoda vezja brez šuma. Na ta način začenjamo kazati, da bo verjetno obstajal kontinuum od tega, kar smo danes, z zatiranjem in blažitvijo napak do popolnega popravka napak.
Torej lahko pridete tja, ne da bi zgradili logične kubite, ki popolnoma popravljajo napake?
Kaj je v resnici logični kubit? Kaj ljudje pravzaprav mislijo s tem? Kar je resnično pomembno, je: ali lahko izvajate logična vezja in kako jih izvajate tako, da je čas izvajanja vedno hitrejši? Namesto da bi razmišljali o gradnji logičnih kubitov, razmišljamo o tem, kako izvajamo vezja in dajemo uporabnikom ocene odgovora, nato pa ga kvantificiramo glede na čas izvajanja.
Ko izvajate običajno popravljanje napak, popravite tisto, kar ste mislili, da bi bil odgovor do te točke. Posodobite referenčni okvir. Toda popravljanje napak bomo dosegli z ublažitvijo napak. Če je γ̄ enak 1, bom dejansko imel popravek napak, ker ni dodatnih stroškov za izboljšanje ocen, kolikor želite.
Na ta način bomo dejansko imeli logične kubite, vendar se bodo nenehno vstavljali. Tako začenjamo o tem razmišljati na višji ravni. Naš pogled je ustvariti z vidika uporabnika kontinuum, ki postaja vedno hitrejši. Končni lakmusov test za zrelost kvantnih računalnikov je torej, ali je kvantni čas izvajanja lahko konkurenčen klasičnemu času izvajanja.
To se zelo razlikuje od tega, kar počnejo druga kvantna podjetja, vendar bom zelo presenečen, če to ne bo postalo splošno mnenje – stavim, da boste začeli opažati ljudi, ki primerjajo čase delovanja, ne stopnje odpravljanja napak.
To, kar počnemo, je samo računalništvo na splošno in ga spodbujamo s kvantnim procesorjem
Če izdelujete modularne naprave s klasičnimi povezavami, ali to pomeni, da prihodnost v resnici ni kvantna proti klasičnim, ampak kvantna in klasična?
ja Združevanje klasičnega in kvantnega vam bo omogočilo več. Temu jaz pravim kvantni presežek: klasično računalništvo na pameten način z uporabo kvantnih virov.
Če bi lahko zamahnil s čarobno palico, temu ne bi rekel kvantno računalništvo. Vrnil bi se nazaj in rekel, da je to, kar počnemo, v resnici samo računalništvo na splošno in ga spodbujamo s kvantnim procesorjem. Uporabljal sem frazo "kvantno osredotočeno superračunalništvo". V resnici gre za pospešitev računalništva z dodajanjem kvantuma. Resnično mislim, da bo to arhitektura.
Kakšne so tehnične ovire? Ali je pomembno, da te naprave potrebujejo kriogeno hlajenje, recimo?
To pravzaprav ni nič posebnega. Večja stvar je, da me skrbi cena elektronike in vseh stvari, ki gredo okoli nje, če nadaljujemo po našem načrtu. Da bi znižali te stroške, moramo razviti ekosistem; in mi kot skupnost še vedno ne naredimo dovolj za ustvarjanje tega okolja. Ne vidim veliko ljudi, ki se osredotočajo samo na elektroniko, vendar mislim, da se bo to zgodilo.
Ali je zdaj vsa znanost končana, tako da je zdaj bolj stvar inženiringa?
Vedno bo na voljo znanost, še posebej, ko boste začrtali to pot od ublažitve napak do odprave napak. Kakšno vrsto povezljivosti želite vgraditi v čip? Kakšne so povezave? Vse to so temeljne znanosti. Mislim, da lahko še vedno dvignemo stopnje napak na 10-5. Osebno stvari ne maram označevati kot »znanost« ali »tehnologijo«; gradimo inovacijo. Mislim, da je vsekakor prehod na te naprave, ki bodo postale orodja, in vprašanje postane, kako te stvari uporabljamo za znanost, namesto za znanost ustvarjanja orodja.
Vas skrbi, da bi lahko obstajal kvantni mehurček?
Ne. Mislim, da je kvantno prednost mogoče razdeliti na dve stvari. Prvič, kako dejansko hitreje izvajati vezja na kvantni strojni opremi? Prepričan sem, da lahko o tem napovedujem. In drugič, kako dejansko uporabljate ta vezja in jih povezujete z aplikacijami? Zakaj kvantna metoda deluje bolje kot samo klasična metoda? To so zelo težka znanstvena vprašanja. In to so vprašanja, ki zanimajo fizike visokih energij, znanstvenike materialov in kvantne kemike. Mislim, da bo povpraševanje zagotovo obstajalo – to že vidimo. Opažamo, da se zanimajo tudi nekatera poslovna podjetja, vendar bo trajalo nekaj časa, da najdemo prave rešitve, namesto da bi kvant postal orodje za izvajanje znanosti.
To vidim kot gladek prehod. Eno veliko potencialno področje uporabe so problemi, ki imajo podatke z neko vrsto strukture, zlasti podatke, za katere je zelo težko klasično najti korelacije. Finance in medicina se soočata s takšnimi težavami in kvantne metode, kot je kvantno strojno učenje, so zelo dobre pri iskanju korelacije. Pot bo dolga, vendar se jim je vredno vložiti v to.
Kaj pa ohranjanje varnosti računanja pred, recimo, napadi, kot je Shorov algoritem faktoringa, ki uporablja kvantne metode za razbijanje trenutnih kriptografskih metod javnega ključa, ki temeljijo na faktorizaciji?
Vsi se želijo zaščititi pred Shorovim algoritmom – zdaj se imenuje "kvantno varen". Imamo veliko temeljnih raziskav algoritmov, a kako jih vgraditi, bo postalo pomembno vprašanje. Ves čas preiskujemo, da bi to vgradili v naše izdelke, ne pa kot dodatek. In vprašati se moramo, kako zagotoviti, da imamo klasično infrastrukturo, ki je varna za kvant. Kako se bo ta prihodnost odvijala, bo v naslednjih nekaj letih zelo pomembno – kako boste zgradili kvantno varno strojno opremo od začetka.
Moja definicija uspeha je, ko večina uporabnikov sploh ne ve, da uporabljajo kvantni računalnik
Ste bili presenečeni nad hitrostjo, s katero je prišlo kvantno računalništvo?
Za nekoga, ki je bil v tem tako globoko kot jaz od leta 2000, sledi izjemno blizu poti, ki je bila napovedana. Spominjam se, da sem se vrnil k internemu IBM-ovemu načrtu iz leta 2011 in bil je precej na mestu. Takrat sem mislil, da si izmišljujem! Na splošno se mi zdi, da ljudje precenjujejo, koliko časa bo trajalo. Ko bomo vedno bolj napredovali in bodo ljudje v te naprave prinašali ideje o kvantnih informacijah, bomo v naslednjih nekaj letih lahko poganjali večja vezja. Nato bo govora o tem, katere vrste arhitekture morate zgraditi, kako veliki so grozdi, katere vrste komunikacijskih kanalov uporabljate itd. Ta vprašanja bodo temeljila na vrsti vezij, ki jih uporabljate: kako začnemo izdelovati stroje za določene vrste vezij? Potekala bo specializacija krogov.
Kakšno bo leto 2030 za kvantno računalništvo?
Moja definicija uspeha je, ko večina uporabnikov sploh ne bo vedela, da uporabljajo kvantni računalnik, ker je vgrajen v arhitekturo, ki brezhibno deluje s klasičnim računalništvom. Merilo uspeha bi bilo torej to, da je neviden za večino ljudi, ki ga uporabljajo, vendar jim na nek način izboljša življenje. Morda bo vaš mobilni telefon uporabljal aplikacijo, ki svojo oceno opravi s kvantnim računalnikom. Leta 2030 ne bomo na tej ravni, vendar mislim, da bomo do takrat imeli zelo velike stroje, ki bodo precej presegli tisto, kar lahko počnemo klasično.
